專利名稱：電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置及電池惡化估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置、特別是為了減小估計(jì)誤差而使用電池模型的電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置、以及使用電池模型過程中的電池惡化狀態(tài)的估計(jì)方法的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
迄今，作為估計(jì)電池充電狀態(tài)(SOC)的方法，已知有將充放電電流值的積分值加在電池初始的SOC上的方法。但是，在該方法中充放電電流值的積分自身有誤差，在累積誤差的同時(shí)，還存在電池在未使用狀態(tài)下由自身放電產(chǎn)生的SOC的初始值的變化等，難以準(zhǔn)確地估計(jì)電池的SOC。
因此，還采用了這樣的方法根據(jù)電池電壓估計(jì)SOC，修正由充放電電流值的積分獲得的SOC的估計(jì)結(jié)果來提高估計(jì)精度。例如在特開平9-96655號(hào)公報(bào)中也公開了這種估計(jì)方法的改進(jìn)技術(shù)。
可是，在上述現(xiàn)有例中，根據(jù)電池電壓估計(jì)SOC，因此盡管采用修正充放電電流值的累計(jì)誤差的方法，也難以獲得高的估計(jì)精度。這是因?yàn)楦鶕?jù)電池電壓來估計(jì)SOC本身就很困難。
圖6表示SOC為68％的電池中的電池電流和電池電壓的變化關(guān)系。如圖6所示，電池的電流-電壓的關(guān)系呈非線性、具有大的滯后現(xiàn)象。因此，在根據(jù)該電流-電壓關(guān)系估計(jì)SOC的情況下，由于在電池電流和電池電壓怎樣變化的時(shí)刻來判斷SOC而產(chǎn)生了大的誤差。在圖6所示的例中，盡管實(shí)際的SOC為68％，但在充電電流增大的階段，SOC被斷定為80％，在放電電流增大的階段，SOC被斷定為20％。
這樣，盡管SOC相同，但反映以前的充放電狀態(tài)，電池的電壓變化很大，所以若根據(jù)電池電壓估計(jì)SOC，則產(chǎn)生較大的誤差。因此，用現(xiàn)有的方法不能準(zhǔn)確地估計(jì)SOC。特別是在以短周期切換并反復(fù)進(jìn)行充放電的混合環(huán)中，存在SOC的估計(jì)值的誤差變大的問題。
另外，在電瓶車等中使用的電池，為了判斷其更換的時(shí)間或預(yù)測(cè)故障的發(fā)生等對(duì)其惡化狀態(tài)進(jìn)行了估計(jì)。
通過求電池的內(nèi)阻，來測(cè)定其惡化狀態(tài)。作為求內(nèi)阻的方法，有這樣一種方法例如在規(guī)定的充電狀態(tài)(SOC)下，根據(jù)以規(guī)定的放電電流在一定時(shí)間內(nèi)放電的情況下的電壓，求內(nèi)阻。另外，還有這樣一種方法在電瓶車中，根據(jù)行駛中的幾個(gè)電流/電壓值，用下式求內(nèi)阻R。
Vb=-R×Ib+Voc …(1)Vb電壓值，Ib電流值，Voc開路電壓。
可是，因?yàn)樵谏鲜鲆?guī)定的SOC下，在一定時(shí)間內(nèi)用規(guī)定的放電電流放電的方法為脫機(jī)測(cè)定，所以在例如電瓶車中使用的電池的情況下，不能在行駛中估計(jì)電池的內(nèi)阻。
另外，用上式(1)求電池的內(nèi)阻的方法，即使電瓶車在行駛當(dāng)中也能測(cè)定內(nèi)阻。但是，因?yàn)樵谠摲椒ㄖ袥]有考慮電池極化的影響，所以存在內(nèi)阻的估計(jì)值誤差變大的問題。即，電池充放電電流和電池電壓的關(guān)系如圖10所示。在圖10中，電流值為正的部分是放電狀態(tài)，為負(fù)的部分表示充電狀態(tài)。如圖10所示，電池的電流/電壓特性具有滯后現(xiàn)象，由于測(cè)定時(shí)刻的不同，電壓/電流的斜率即內(nèi)阻(-R)為不同的值。這是由于沒有考慮上述極化的影響所致。因此，采用該現(xiàn)有的方法難以準(zhǔn)確地估計(jì)電池的內(nèi)阻。
鑒于以上原因，本發(fā)明的目的在于提供一種電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置，即使以短周期切換并反復(fù)進(jìn)行充放電，該裝置也能準(zhǔn)確地估計(jì)SOC。
另外，另一個(gè)目的在于提供一種電池惡化狀態(tài)的估計(jì)方法，該方法能在電池的使用過程中準(zhǔn)確地測(cè)定電池的內(nèi)阻的變化，能準(zhǔn)確地把握電池的惡化狀態(tài)。
發(fā)明的公開為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是這樣一種電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置，其特征在于有電池模型，用來求虛擬SOC作為電池充電狀態(tài)(SOC)的大致的值，與該虛擬SOC一起考慮電池狀態(tài)的變化，估計(jì)電池電壓，修正虛擬SOC，以便使估計(jì)的電池電壓與實(shí)際測(cè)定的電池電壓相等，估計(jì)實(shí)際的SOC。
另外，上述電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置的特征在于電池模型具有虛擬SOC估計(jì)裝置，根據(jù)電池的充放電電流求虛擬SOC；電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置，根據(jù)從上述虛擬SOC估計(jì)裝置輸出的虛擬SOC，估計(jì)電池電壓；電壓變動(dòng)估計(jì)裝置，估計(jì)由內(nèi)阻引起的電池電壓的變動(dòng)；以及動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置，根據(jù)電池充放電電流的變化，估計(jì)電池電壓的變動(dòng)，根據(jù)電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置、電壓變動(dòng)估計(jì)裝置和動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置的輸出值的合計(jì)，估計(jì)電池電壓。
另外，上述電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置的特征在于虛擬SOC的修正量由與估計(jì)的電池電壓和實(shí)際測(cè)定的電池電壓的差成正比的分量、以及與該差的積分值成正比的分量構(gòu)成。
另外，上述電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置的特征在于虛擬SOC估計(jì)裝置、電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置、電壓變動(dòng)估計(jì)裝置和動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置在各估計(jì)中進(jìn)行對(duì)應(yīng)于電池溫度的修正。
另外，上述電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置的特征在于虛擬SOC估計(jì)裝置、電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置、電壓變動(dòng)估計(jì)裝置和動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置在各估計(jì)中進(jìn)行對(duì)應(yīng)于估計(jì)的SOC的修正。
另外，上述電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置的特征在于動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置由具有反饋路徑的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。
另外，電池惡化狀態(tài)估計(jì)方法的特征在于測(cè)定電池的充放電電流和電池電壓，根據(jù)該充放電電流的累計(jì)值求虛擬SOC，作為電池充電狀態(tài)(SOC)的估計(jì)值，根據(jù)虛擬SOC估計(jì)電池的開路電壓Voc，根據(jù)電池的充放電電流的變化估計(jì)電池電壓的動(dòng)態(tài)變動(dòng)部分Vdyn，用下式求開路電壓Voc和電池電壓的動(dòng)態(tài)變動(dòng)部分Vdyn的和與電池電壓的測(cè)定值Vmes的差Vr，Vr=Vmes-(Voc+Vdyn)根據(jù)該差Vr和充放電電流值，利用最小二乘法求電池的內(nèi)阻。
另外，上述電池惡化狀態(tài)估計(jì)方法的特征在于最小二乘法是加權(quán)最小二乘法。
附圖的簡單說明圖1是本發(fā)明的電池充電狀態(tài)估計(jì)裝置的實(shí)施形態(tài)1的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是表示由圖1所示的電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置進(jìn)行的電池SOC的估計(jì)工作的流程圖。
圖3是本發(fā)明的電池充電狀態(tài)估計(jì)裝置的實(shí)施形態(tài)2的結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是本發(fā)明的電池充電狀態(tài)估計(jì)裝置的實(shí)施形態(tài)3的結(jié)構(gòu)框圖。
圖5是表示本發(fā)明的電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置的實(shí)施形態(tài)4中使用的動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置的變形例圖。
圖6是表示電池的電流和電壓變化的關(guān)系圖。
圖7是實(shí)施本發(fā)明的電池惡化狀態(tài)估計(jì)方法用的結(jié)構(gòu)框圖。
圖8是本發(fā)明的電池惡化狀態(tài)估計(jì)方法的工序流程圖。
圖9是采用由本發(fā)明的電池惡化估計(jì)方法估計(jì)的內(nèi)阻來估計(jì)電池的SOC的結(jié)構(gòu)框圖。
圖10是表示電池的電壓-電流關(guān)系的圖。
5實(shí)施發(fā)明用的最佳形態(tài)以下，根據(jù)


本發(fā)明的最佳實(shí)施形態(tài)(以下稱實(shí)施形態(tài))。
實(shí)施形態(tài)1圖1是本發(fā)明的電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置的實(shí)施形態(tài)1的結(jié)構(gòu)框圖。在圖1中，電池的充放電電流能用電流檢測(cè)裝置10檢測(cè)。另外，此時(shí)的電池電壓能用電壓檢測(cè)裝置12檢測(cè)。
用虛擬SOC估計(jì)裝置14對(duì)電流檢測(cè)裝置10檢測(cè)到的充放電電流值進(jìn)行積分，加在預(yù)先求得的電池SOC的初始值上，能估計(jì)作為SOC的大致值的虛擬SOC。如果充滿電時(shí)，該SOC的初始值達(dá)到100％，或者可作為上一次使用結(jié)束時(shí)的SOC估計(jì)值供給。由電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置16根據(jù)這樣求得的虛擬SOC估計(jì)對(duì)應(yīng)于該虛擬SOC的電池電壓。由該電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置16估計(jì)的電池電壓是電池開路電壓的估計(jì)值Voc。這樣的開路電壓Voc能這樣估計(jì)，即例如預(yù)先對(duì)每個(gè)電池求SOC和開路電壓的圖，作為對(duì)應(yīng)于由虛擬SOC估計(jì)裝置14供給的虛擬SOC的開路電壓Voc。
另外，根據(jù)用電流檢測(cè)裝置10檢測(cè)到的電池的充放電電流值，用電壓變動(dòng)估計(jì)裝置18估計(jì)由電池的內(nèi)阻引起的電壓變動(dòng)。在該電壓變動(dòng)估計(jì)裝置18中，用下式估計(jì)由內(nèi)阻引起的電池電壓的變動(dòng)。
Vr=-r×Ibr內(nèi)阻，Ib電流值(放電時(shí)為正)這里，Vr是由電壓變動(dòng)估計(jì)裝置18估計(jì)的內(nèi)阻引起的電壓變動(dòng)。另外，對(duì)每個(gè)電池預(yù)先決定電池的內(nèi)阻r。另外，電流值Ib是用電流檢測(cè)裝置10檢測(cè)到的充放電電流值。
另外，用動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20估計(jì)基于電池的充放電電流的變化的電池電壓的變動(dòng)。在動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20中，用下式估計(jì)電池的動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)Vdyn。
Vdyn=C×x dx/dt=A×x+B×IbA、B、C系數(shù)矩陣x 狀態(tài)量在動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20中，根據(jù)上述狀態(tài)方程式估計(jì)電池的過度電壓的變動(dòng)Vdyn。在此情況下，根據(jù)對(duì)每個(gè)電池特性的測(cè)定，預(yù)先決定系數(shù)矩陣A、B、C。
其次，利用加法器22將上述電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置16、電壓變動(dòng)估計(jì)裝置18、以及動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20的輸出值相加，求作為電池電壓估計(jì)值的估計(jì)電壓Vest。即，Vest=Voc+Vr+Vdyn。
另外，由上述的虛擬SOC估計(jì)裝置14、電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置16、電壓變動(dòng)估計(jì)裝置18、動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20以及加法器22構(gòu)成本發(fā)明的電池模型。
用比較器24對(duì)用上述電池模型估計(jì)的電池的估計(jì)電壓Vest和用電壓檢測(cè)裝置12檢測(cè)的實(shí)際的電池測(cè)定電壓Vmes進(jìn)行比較，把兩者之差輸入SOC修正量計(jì)算裝置26中。在SOC修正量計(jì)算裝置26中，用下式計(jì)算電池的SOC的估計(jì)值。
SOC=SOCp+Kp×(Vmes-Vest)+Ki×∫(Vmes-Vest)dtSOCp虛擬SOC Kp、Kj系數(shù)在上式中，虛擬SOC(SOCp)是虛擬SOC估計(jì)裝置14的輸出值。另外，用SOC修正量計(jì)算裝置26計(jì)算上式第2項(xiàng)及第3項(xiàng)即與用比較器24求得的估計(jì)電壓Vest和測(cè)定電壓Vmes的差(Vmes-Vest)成正比的分量、以及與該差的積分值成正比的分量。這里，系數(shù)Kp、Kj分別預(yù)先根據(jù)電池特性決定。如上式所示，利用加法器28將SOC修正量計(jì)算裝置26計(jì)算的上述各分量與虛擬SOC估計(jì)裝置14的輸出值SOCp相加。因此能得到電池的SOC的估計(jì)值。
這樣，在本實(shí)施形態(tài)中，使用電池模型，根據(jù)采用與以前相同的方法求得的虛擬SOC，估計(jì)電池的電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)，估計(jì)由電池電壓的內(nèi)阻引起的變動(dòng)部分、以及由充放電電流的變化引起的動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)部分，將它們合計(jì)起來，估計(jì)電池的電壓。即，用電池模型，與虛擬SOC一起考慮電池狀態(tài)的變動(dòng)，估計(jì)電池電壓Vest。其次，修正虛擬SOC，以便使該估計(jì)電壓Vest與實(shí)際測(cè)定的電池電壓Vmes相等，估計(jì)電池的SOC。因此，由于不僅累計(jì)充放電電流，而且還進(jìn)行考慮了內(nèi)阻和電池狀態(tài)的變動(dòng)的SOC的修正，所以能顯著提高電池的SOC的估計(jì)精度。
另外，在本實(shí)施形態(tài)中，由于修正虛擬SOC，以便使估計(jì)電壓Vest與實(shí)際測(cè)定的電池電壓Vmes相等，所以盡管最初暫時(shí)供給的SOC的初始值包含較大的誤差，也能快速地收斂成準(zhǔn)確的SOC的估計(jì)值。
圖2表示由圖1所示的電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置進(jìn)行的電池SOC的估計(jì)工作的流程。在圖2中，在點(diǎn)火開關(guān)接通的情況下(S1)，根據(jù)電池是否充滿電或上一次使用結(jié)束時(shí)的SOC的估計(jì)值等，用虛擬SOC估計(jì)裝置14設(shè)定虛擬SOC，作為電池的充電狀態(tài)的大致值(S2)。
其次，用電流檢測(cè)裝置10及電壓檢測(cè)裝置12測(cè)定電池的充放電電流值Ib和電池的實(shí)際電壓Vmes(S3)。
通過累計(jì)用電流檢測(cè)裝置10檢測(cè)到的充放電電流值Ib，用虛擬SOC估計(jì)裝置14計(jì)算虛擬SOC(S4)。根據(jù)用該虛擬SOC估計(jì)裝置14估計(jì)的虛擬SOC，用電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置16估計(jì)電池的開路電壓Voc。另外，根據(jù)用電流檢測(cè)裝置10檢測(cè)到的電池的充放電電流Ib，用電壓變動(dòng)估計(jì)裝置18估計(jì)由內(nèi)阻引起的電壓變動(dòng)Vr。另外，用動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20估計(jì)基于電池的充放電電流變化的電壓變動(dòng)部分Vdyn。將這些開路電壓Voc、由內(nèi)阻引起的電壓變動(dòng)部分Vr以及基于電池充放電電流的變化的電壓變動(dòng)部分Vdyn合計(jì)起來，計(jì)算電池的估計(jì)電壓Vest(S5)。
其次，用比較器24對(duì)上述計(jì)算的估計(jì)電壓Vest和用電壓檢測(cè)裝置12實(shí)際測(cè)定的電池的測(cè)定電壓Vmes進(jìn)行比較(S6)。根據(jù)用該比較器24比較后的Vmes和Vest的差，用SOC修正量計(jì)算裝置26計(jì)算虛擬SOC估計(jì)裝置14估計(jì)的虛擬SOC的修正量(S7)。
通過用加法器28將SOC修正量計(jì)算裝置26計(jì)算的SOC的修正量加在虛擬SOC中，進(jìn)行虛擬SOC的修正，計(jì)算SOC的估計(jì)值(S8)。
其次，確認(rèn)點(diǎn)火開關(guān)是否關(guān)斷，反復(fù)執(zhí)行上述步驟S3～S8，直到點(diǎn)火開關(guān)關(guān)斷為止(S9)。
在S9中點(diǎn)火開關(guān)關(guān)斷的情況下，將該時(shí)刻的電池的SOC的估計(jì)值存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，作為下一次虛擬SOC的初始值使用(S10)。
至此，用本實(shí)施形態(tài)的電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置進(jìn)行的電池的SOC的估計(jì)工作結(jié)束。
實(shí)施形態(tài)2圖3是本發(fā)明的電池充電狀態(tài)估計(jì)裝置的實(shí)施形態(tài)2的結(jié)構(gòu)框圖。與圖1相同的要素標(biāo)以相同的符號(hào)，其說明從略。在圖3中，特征在于在虛擬SOC估計(jì)裝置14、電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置16、電壓變動(dòng)估計(jì)裝置18以及動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20等各裝置分別進(jìn)行估計(jì)工作時(shí)，進(jìn)行對(duì)應(yīng)于電池溫度Tb的修正。即，在本實(shí)施形態(tài)中，設(shè)置了電池溫度檢測(cè)用的溫度檢測(cè)裝置30，其輸出值分別被輸入虛擬SOC估計(jì)裝置14、電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置16、電壓變動(dòng)估計(jì)裝置18、以及動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20中。
一般情況下，如本實(shí)施形態(tài)所示，由于電池的特性隨著電池的溫度而發(fā)生變化，所以通過將電池的溫度Tb信息輸入電池模型內(nèi)的各估計(jì)裝置中，能以更高的精度估計(jì)電池的SOC。另外，根據(jù)溫度檢測(cè)裝置30檢測(cè)到的電池的溫度Tb，在各估計(jì)裝置中進(jìn)行什么樣的修正是根據(jù)電池的特性預(yù)先決定的。
實(shí)施形態(tài)3圖4是本發(fā)明的電池充電狀態(tài)估計(jì)裝置的實(shí)施形態(tài)3的結(jié)構(gòu)框圖。與圖1和圖3相同的要素標(biāo)以相同的符號(hào)，其說明從略。
在圖4中，特征在于在進(jìn)行上述電池模型中的各種估計(jì)工作時(shí)，進(jìn)行與修正虛擬SOC獲得的SOC的估計(jì)值對(duì)應(yīng)的修正。即，通過用加法器28將SOC修正量計(jì)算裝置26計(jì)算的SOC的修正量加在虛擬SOC中來估計(jì)電池的SOC，并將該SOC的估計(jì)值分別輸入電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置16、電壓變動(dòng)估計(jì)裝置18以及動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20中，修正各自的估計(jì)工作。因此，能考慮由SOC變化引起的電池特性的變化，能以更高的精度估計(jì)電池的SOC。另外，與實(shí)施形態(tài)2相同，在各估計(jì)裝置中進(jìn)行什么樣的修正是根據(jù)電池的特性預(yù)先決定的。
實(shí)施形態(tài)4
圖5表示本發(fā)明的電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置的實(shí)施形態(tài)4中使用的動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20的變形例。另外，除了圖5所示的結(jié)構(gòu)以外的結(jié)構(gòu)，與圖1、圖3、圖4中示出的實(shí)施形態(tài)1、2、3相同。
在圖5中，用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20。該神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)由輸入層32、中間層34、輸出層36構(gòu)成，輸入層32的各單元與中間層34的全部或者一部分單元相結(jié)合，中間層34的全部或一部分單元與輸出層36的單元相結(jié)合。
圖5所示的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的特征在于這是一種具有從輸出層36至輸入層32的反饋路徑38的循環(huán)型。
如果用離散型表示動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20估計(jì)的電池的動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)Vdyn，則如下式所示Vdyn[k+1]=f(Ib[K]、SOC[K]、Tb[K]、Vdyn[K])f函數(shù)如上式所示，用2個(gè)時(shí)間段[K]和[K+1]之間的關(guān)系表示動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)Vdyn。因此，在用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)表示它的情況下，有必要構(gòu)成上述循環(huán)型神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。
另外，在上式中，用將Ib[K]、SOC[K]、Tb[K]、Vdyn[K]作為變數(shù)的某函數(shù)表示電壓變動(dòng)Vdyn[K+1]。通過神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)來決定形成什么樣的函數(shù)。
用加法器28將某時(shí)間段k的反饋項(xiàng)Vdyn[K]、電流檢測(cè)裝置10檢測(cè)到的充放電電流Ib[K]以及SOC修正量計(jì)算裝置26計(jì)算的SOC修正量加在虛擬SOC中，將加得的SOC的估計(jì)值SOC[K]、以及溫度檢測(cè)裝置30檢測(cè)到的電池溫度Tb[K]輸入到該神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的輸入層32中。一旦有這樣的輸入，便通過規(guī)定的中間層34從輸出層36輸出時(shí)間段[K+1]的電壓變動(dòng)Vdyn[K+1]。另外，將本實(shí)施形態(tài)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)用于圖1所示的電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置中的情況下，只輸入充放電電流值Ib[K]，在圖3中使用的情況下，輸入充放電電流值Ib[K]和電池溫度Tb[K]。
用這樣的結(jié)構(gòu)，把包含基于電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的非線性特性的教師數(shù)據(jù)供給輸入層32，進(jìn)行神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)。通過該學(xué)習(xí)，改變各單元間的結(jié)合的大小，能得到具有還對(duì)應(yīng)于電池的非線性特性的結(jié)合狀態(tài)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。即，如上所述，雖然動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)Vdyn[K+1]成為將神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)輸入作為變數(shù)的函數(shù)，但因?yàn)樵摵瘮?shù)的形式不是單純的線性形式，所以能更逼真地表現(xiàn)電池的非線性的特性。
這樣，在本實(shí)施形態(tài)中，通過將能充分對(duì)應(yīng)于該非線性特性的循環(huán)型神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)也用于電池內(nèi)特別是非線性要素強(qiáng)的動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20中，能構(gòu)成更準(zhǔn)確的電池模型，能進(jìn)行更準(zhǔn)確的電池充電狀態(tài)的估計(jì)。
實(shí)施形態(tài)5圖7是表示實(shí)施本發(fā)明的電池惡化狀態(tài)估計(jì)方法用的結(jié)構(gòu)框圖。如上所述，由于電池的惡化狀態(tài)表現(xiàn)為內(nèi)阻的變化，所以通過監(jiān)視內(nèi)阻能估計(jì)電池的惡化狀態(tài)。
在圖7中，用電流檢測(cè)裝置10測(cè)定電池的充放電電流Ib，用電壓檢測(cè)裝置12測(cè)定電池的電壓(Vmes)。用虛擬SOC估計(jì)裝置14對(duì)電流檢測(cè)裝置10檢測(cè)到的充放電電流值Ib進(jìn)行積分，加在預(yù)先求得的電池的SOC的初始值中，估計(jì)作為SOC的估計(jì)值的虛擬SOC。例如能把電池充滿電時(shí)作為100％來確定作為該SOC的初始值。根據(jù)這樣求得的虛擬SOC，用電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置16估計(jì)對(duì)應(yīng)于該虛擬SOC的電池電壓。由該電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置16估計(jì)的電池電壓是電池的開路電壓估計(jì)值Voc。這樣的開路電壓Voc能這樣估計(jì)，即例如預(yù)先對(duì)每個(gè)電池求SOC和電池開路電壓的圖，作為對(duì)應(yīng)于由虛擬SOC估計(jì)裝置14供給的虛擬SOC的開路電壓Voc。
另外，由于充放電電流的變化，電池的電壓發(fā)生動(dòng)態(tài)變動(dòng)。用動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20估計(jì)這樣的電池電壓的動(dòng)態(tài)變動(dòng)部分。在該動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20中，用下式估計(jì)電池的動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)Vdyn。
Vdyn=C×xdx/dt=A×x+B×Ib …(2)A、B、C系數(shù)矩陣x 狀態(tài)量在動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20中，根據(jù)上述狀態(tài)方程式，估計(jì)電池的過渡電壓的變動(dòng)Vdyn。在此情況下，根據(jù)對(duì)每個(gè)電池特性的測(cè)定，預(yù)先確定系數(shù)矩陣A、B、C。這樣，在本實(shí)施形態(tài)中，根據(jù)由電流檢測(cè)裝置10檢測(cè)到的電池的充放電電流值Ib，利用由虛擬SOC估計(jì)裝置14、電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置16以及動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20構(gòu)成的電池模型估計(jì)電池的開路電壓Voc及動(dòng)態(tài)的電壓變動(dòng)部分Vdyn。
如上所述，用加法器40將利用電池模型估計(jì)的電池的開路電壓Voc和電池電壓的動(dòng)態(tài)變動(dòng)部分Vdyn相加，用減法器42求該加得的值與電壓檢測(cè)裝置12檢測(cè)到的實(shí)際電池電壓的測(cè)定值Vmes的差Vr。即，Vr=Vmes-(Voc+Vdyn)…(3)這樣求得的值Vr從是電池電壓的測(cè)定值Vmes中減去與該時(shí)刻的SOC相對(duì)應(yīng)的電池的電動(dòng)勢(shì)后的值，即減去開路電壓Voc和基于充放電電流變化的電池電壓的動(dòng)態(tài)變動(dòng)部分Vdyn后的值，表示基于電池的內(nèi)阻的電壓變動(dòng)。因此，通過用例如最小二乘法求該值Vr和用電流檢測(cè)裝置10檢測(cè)到的電池的充放電電流值Ib的關(guān)系，能求電池的內(nèi)阻作為其斜率。在電池惡化狀態(tài)估計(jì)部44中，利用上述方法進(jìn)行電池內(nèi)阻的估計(jì)。
這樣，如果采用本實(shí)施形態(tài)，則由于不是簡單地將電池電壓的測(cè)定值Vmes和電池的充放電電流值Ib的關(guān)系作成曲線，根據(jù)其斜率求內(nèi)阻，而是除去基于電池SOC的變動(dòng)、以及充放電電流的變動(dòng)的電池電壓的變動(dòng)部分，只取出基于電池內(nèi)阻的電壓變動(dòng)部分，進(jìn)行內(nèi)阻的估計(jì)，所以，能以高的精度估計(jì)電池的內(nèi)阻。因此能準(zhǔn)確地把握電池的惡化狀態(tài)。另外，通過估計(jì)電池內(nèi)阻的變化，不僅能檢測(cè)電池的惡化狀態(tài)，而且能進(jìn)行電池的短路及斷路等異常狀態(tài)的檢測(cè)。
另外，由于用通常的最小二乘法必須計(jì)算過去所有電流值的和并進(jìn)行保存，所以存在計(jì)算處理時(shí)需要大量的存儲(chǔ)器的問題。因此，最好采用導(dǎo)入了指數(shù)權(quán)重(勿忘項(xiàng)ρ:0＜ρ＜1)的加權(quán)最小二乘法。如果用離散型表示，則如下式所示Rn=ρΣi=0n-1ρn-1Ii2ρΣi=0n-1ρn-1Ii2+In-12+In-1VrnρΣi=0n-1ρn-1Ii2+In-12···(4)]]>式中 R電池內(nèi)阻I測(cè)定電流
Vr測(cè)定電壓-開路電壓-動(dòng)態(tài)變動(dòng)電壓n第n個(gè)試樣ρ指數(shù)權(quán)重(0＜ρ＜1，勿忘項(xiàng)ρ)另外，在上式中，把電流檢測(cè)裝置10檢測(cè)到的電池的充放電電流值表示為I，而不是Ib。
圖8表示本實(shí)施形態(tài)的電池惡化狀態(tài)估計(jì)方法的工序流程。在圖8中，確認(rèn)點(diǎn)火開關(guān)是否接通(S1)，接通時(shí)用虛擬SOC估計(jì)裝置14設(shè)定SOC的初始值(S2)。
其次，用電流檢測(cè)裝置10及電壓檢測(cè)裝置12測(cè)定電池的充放電電流值Ib和電壓Vmes(S3)。
在虛擬SOC估計(jì)裝置14中，累計(jì)充放電電流值Ib并加到在S2中設(shè)定了的SOC的初始值中，計(jì)算虛擬SOC(S4)。電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置16利用該虛擬SOC計(jì)算電池的開路電壓Voc。另外，動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20根據(jù)充放電電流的變化計(jì)算電池電壓的動(dòng)態(tài)變動(dòng)部分Vdyn(S5)。
根據(jù)上述公式(3)，并根據(jù)在S5中求得的Voc和Vdyn、以及用電壓檢測(cè)裝置12檢測(cè)到的電池電壓的測(cè)定值Vmes計(jì)算Vr(S6)。根據(jù)上述公式(4)，并根據(jù)該Vr及電流檢測(cè)裝置10檢測(cè)到的充放電電流值Ib計(jì)算電池的內(nèi)阻R(S7)。
其次，確認(rèn)在S7中求得的內(nèi)阻R是否超過規(guī)定值Rref(S8)。因?yàn)樵陔姵氐膬?nèi)阻R比Rref大的情況下，可以認(rèn)為加重了電池的惡化或發(fā)生了某些故障，蓄電池呈異常狀態(tài)，利用規(guī)定的裝置發(fā)出警報(bào)。(S9)。
在S8中在電池的內(nèi)阻R比Rref小的情況下或者在S9中蓄電池呈異常狀態(tài)后，確認(rèn)點(diǎn)火開關(guān)是否關(guān)斷(S10)。在S10中點(diǎn)火開關(guān)未關(guān)斷的情況下，反復(fù)執(zhí)行步驟S3～S9。另外，在點(diǎn)火開關(guān)關(guān)斷的情況下，結(jié)束電池惡化狀態(tài)的估計(jì)工作。
圖9是表示使用如上估計(jì)的電池的內(nèi)阻R、電池的開路電壓Voc、以及電池電壓的動(dòng)態(tài)變動(dòng)部分Vdyn來估計(jì)電池的SOC的裝置的結(jié)構(gòu)框圖，與圖7相同的要素標(biāo)以相同的符號(hào)，其說明從略。
在圖9中，根據(jù)由電池惡化狀態(tài)估計(jì)部44估計(jì)的電池的內(nèi)阻R，對(duì)在電池的制造時(shí)測(cè)定而預(yù)先給出的電池的內(nèi)阻值進(jìn)行修正。因此，能將電池模型中的電池的內(nèi)阻值經(jīng)常維持為正確的值。根據(jù)這樣的電池內(nèi)阻R的值、以及用電流檢測(cè)裝置10檢測(cè)到的電池的充放電電流值Ib，用電壓變動(dòng)估計(jì)裝置18估計(jì)由電池的內(nèi)阻引起的電壓變動(dòng)。在該電壓變動(dòng)估計(jì)裝置18中，利用下式估計(jì)由內(nèi)阻R引起的電池電壓的變動(dòng)。
VR=-R×IbR內(nèi)阻，Ib電流值(放電時(shí)為正)這里，VR是用電壓變動(dòng)估計(jì)裝置18能估計(jì)的由內(nèi)阻R引起的電壓變動(dòng)。另外，電流值Ib是用電流檢測(cè)裝置10檢測(cè)的充放電電流值。
其次，用加法器22將上述電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置16、動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20、以及電壓變動(dòng)估計(jì)裝置18的各輸出值相加，求作為電池電壓估計(jì)值的估計(jì)電壓Vest。即，Vest=Voc+Vdyn+VR另外，由虛SOC擬估計(jì)裝置14、電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置16、動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20、電壓變動(dòng)估計(jì)裝置18、以及加法器22構(gòu)成將實(shí)際的電池模型化的電池模型。
如上估計(jì)的電池的估計(jì)電壓Vest用比較器24與由電壓檢測(cè)裝置12檢測(cè)到的實(shí)際的電池測(cè)定電壓Vmes進(jìn)行比較，將兩者的差輸入SOC修正量計(jì)算裝置26中。在SOC修正量計(jì)算裝置26中計(jì)算電池的SOC的修正量，以便使測(cè)定電壓Vmes與估計(jì)電壓Vest相等。因此，利用下式能計(jì)算電池的SOC的估計(jì)值。
SOC=SOCp+Kp×(Vmes-Vest)+Ki×∫(Vmes-Vest)dtSOCp虛擬SOC Kp、Ki系數(shù)在上式中，虛擬SOC(SOCp)是虛擬SOC估計(jì)裝置14的輸出值。另外，用SOC修正量計(jì)算裝置26計(jì)算上式第2項(xiàng)及第3項(xiàng)即與用比較器24求得的估計(jì)電壓Vest和測(cè)定電壓Vmes的差(Vmes-Vest)成正比的分量、以及與該差的積分值成正比的分量。這里，系數(shù)Kp、Kj分別預(yù)先由電池特性決定。如上式所示，利用加法器28將由SOC修正量計(jì)算裝置26計(jì)算的上述各分量與虛擬SOC估計(jì)裝置14的輸出值SOCp相加。因此能得到電池的SOC的估計(jì)值。
這樣，在本實(shí)施形態(tài)中，使用電池模型，根據(jù)虛擬SOC估計(jì)電池的電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)估計(jì)由電池電壓的內(nèi)阻引起的變動(dòng)部分和由充放電電流的變化引起的動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)部分，將它們合計(jì)起來，估計(jì)電池的電壓。即，用電池模型，與虛擬SOC一起考慮電池狀態(tài)的變動(dòng)，估計(jì)電池電壓Vest。其次，修正虛擬SOC，以便使該估計(jì)電壓Vest與實(shí)際測(cè)定的電池電壓Vmes相等，估計(jì)電池的SOC。因此，由于不僅累計(jì)充放電電流，而且還進(jìn)行考慮了內(nèi)阻和電池狀態(tài)的變動(dòng)的SOC的修正，所以能顯著提高電池的SOC的估計(jì)精度。另外，由于此時(shí)使用的電池的內(nèi)阻R是用電池惡化狀態(tài)估計(jì)部修正后的值，所以能進(jìn)一步提高SOC的估計(jì)精度。
工業(yè)上利用的可能性如上所述，如果采用本發(fā)明，則由于在估計(jì)電池的SOC時(shí)，考慮電池的充放電電流變化等動(dòng)態(tài)電池狀態(tài)的變動(dòng)，進(jìn)行估計(jì)，所以象混合環(huán)那樣，在充放電以短周期切換反復(fù)進(jìn)行那樣的使用條件下，也能以高精度進(jìn)行SOC的估計(jì)。
另外，特別是如果由循環(huán)型神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成非線性要素強(qiáng)的動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置，則能進(jìn)行更準(zhǔn)確的電池充電狀態(tài)的估計(jì)。
另外，根據(jù)電池電壓的測(cè)定值，除去基于SOC變動(dòng)的電動(dòng)勢(shì)的變動(dòng)部分、以及基于充放電電流變化的電池電壓的動(dòng)態(tài)變動(dòng)部分，只求基于內(nèi)阻的電壓變動(dòng)部分，并根據(jù)這些進(jìn)行內(nèi)阻的估計(jì)，所以，能高精度地估計(jì)電池的內(nèi)阻。其結(jié)果，能準(zhǔn)確地把握電池的惡化狀態(tài)。
權(quán)利要求
1．一種電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置，其特征在于有電池模型，用來求虛擬SOC作為電池充電狀態(tài)(SOC)的大致的值，與該虛擬SOC一起考慮電池狀態(tài)的變動(dòng)，估計(jì)電池電壓，修正上述虛擬SOC，以便使上述估計(jì)的電池電壓與實(shí)際測(cè)定的電池電壓相等，估計(jì)實(shí)際的SOC。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池充電狀態(tài)的估計(jì)裝置，其特征在于上述電池模型具有虛擬SOC估計(jì)裝置，根據(jù)電池的充放電電流求上述虛擬SOC；電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置，根據(jù)從上述虛擬SOC估計(jì)裝置輸出的上述虛擬SOC，估計(jì)電池電壓；電壓變動(dòng)估計(jì)裝置，估計(jì)由內(nèi)阻引起的電池電壓的變動(dòng)；以及動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置，根據(jù)電池充放電電流的變化，估計(jì)電池電壓的變動(dòng)，根據(jù)上述電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置、上述電壓變動(dòng)估計(jì)裝置和上述動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置的輸出值的合計(jì)，估計(jì)電池電壓。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電池充電狀態(tài)估計(jì)裝置，其特征在于上述虛擬SOC的修正量由與上述估計(jì)的電池電壓和實(shí)際測(cè)定的電池電壓的差成正比的分量、以及與該差的積分值成正比的分量構(gòu)成。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的電池充電狀態(tài)估計(jì)裝置，其特征在于上述虛擬SOC估計(jì)裝置、上述電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置、上述電壓變動(dòng)估計(jì)裝置和上述動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置在各估計(jì)中進(jìn)行對(duì)應(yīng)于電池溫度的修正。
5．根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的電池充電狀態(tài)估計(jì)裝置，其特征在于上述虛擬SOC估計(jì)裝置、上述電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置、上述電壓變動(dòng)估計(jì)裝置和上述動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置在各估計(jì)中進(jìn)行對(duì)應(yīng)于上述估計(jì)的SOC的修正。
6．根據(jù)權(quán)利要求2或4或5所述的電池充電狀態(tài)估計(jì)裝置，其特征在于上述態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置由具有反饋路徑的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。
7．一種電池惡化狀態(tài)估計(jì)方法，其特征在于測(cè)定電池的充放電電流和電池電壓，根據(jù)上述充放電電流的累計(jì)值求虛擬SOC，作為電池充電狀態(tài)(SOC)的估計(jì)值，根據(jù)上述虛擬SOC估計(jì)電池的開路電壓Voc，根據(jù)電池的充放電電流的變化估計(jì)電池電壓的動(dòng)態(tài)變動(dòng)部分Vdyn，用下式求上述開路電壓Voc和電池電壓的動(dòng)態(tài)變動(dòng)部分Vdyn的和與上述電池電壓的測(cè)定值Vmes的差Vr，Vr=Vmes-(Voc+Vdyn)根據(jù)該差和充放電電流值，利用最小二乘法求電池的內(nèi)阻。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的電池惡化狀態(tài)估計(jì)方法，其特征在于上述最小二乘法是加權(quán)最小二乘法。
全文摘要
為了提供一種盡管以短周期切換并反復(fù)進(jìn)行充放電也能準(zhǔn)確地估計(jì)SOC的電池充電狀態(tài)估計(jì)裝置,累計(jì)用電流檢測(cè)裝置10檢測(cè)到的充放電電流Ⅰb,用虛擬SOC估計(jì)裝置14估計(jì)虛擬SOC。根據(jù)虛擬SOC用電動(dòng)勢(shì)估計(jì)裝置16估計(jì)電池的開路電壓Voc。另外,根據(jù)充放電電流Ⅰb,用電壓變動(dòng)估計(jì)裝置18估計(jì)由內(nèi)阻引起的電壓變動(dòng)部分Vr,由動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)估計(jì)裝置20估計(jì)基于充放電電流變化的電壓變動(dòng)部分Vdyn。用加法器22將這些Voc、Vr、Vdyn相加,計(jì)算電池的估計(jì)電壓Vest。用SOC修正量計(jì)算裝置26計(jì)算SOC的修正量,以便使估計(jì)電壓Vest與電壓檢測(cè)裝置12檢測(cè)到的測(cè)定電壓Vmes相等,用加法器28將其加在上述虛擬SOC上,求電池的SOC的估計(jì)值。
文檔編號(hào)G01R31/36GK1311860SQ99809228
公開日2001年9月5日 申請(qǐng)日期1999年5月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月28日
發(fā)明者渡邊修夫, 黑田幸男, 菊池義晃 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社